低氧对突触效能长时程增强和长时程抑制的调控机制研究进展

李竹雨，陶嘉楠，安琪

1 青海大学研究生院，西宁 810000；2 青海大学附属医院消化内科

人体进入海拔2500 m 以上的区域时会出现明显的缺氧症状，甚至进展为各型高原病，故规定海拔2500 m 以上为医学角度上的高原［1］。高原最主要的气候特点为低压性低氧、干燥、寒冷、高温及强紫外线等，其中对人体生理功能影响最大的是高原低氧［2］。低氧对记忆或认知的影响主要体现在工作、学习、空间能力、记忆力和执行力等各个方面，海拔越高，低氧程度越严重，对记忆或认知的影响就越大。除此之外，高原暴露时间也与记忆力的损害程度成正相关［3］。突触是神经细胞之间特异的通讯结构，通过形成功能性神经环路来传递和存储信息。学习与记忆产生的神经活动是通过改变突触传递而改变脑功能，突触的结构和突触的效能也可以随着环境因素而改变［4］。在重复或持续的神经活动下，突触会发生一种长期性的效能改变，称为长时程增强（long-term potentiation，LTP）或长时程抑制（longterm depression，LTD）。LTP 是指突触对相同强度的刺激产生更强的反应，LTD 是指突触对相同强度的刺激产生更弱的反应。LTP 和LTD 可以调节神经元之间的连接强度，从而影响信息编码和存储。目前为止，关于低氧如何调控LTP或LTD过程，从而影响学习记忆能力的具体机制仍无定论，现将低氧对突触效能LTP和LTD的调控机制研究进展综述如下。

1 低氧对突触效能LTP的调控机制

LTP 是研究最深入的记忆细胞模型之一，其定义为在短暂、高频刺激或其他诱导后，突触效能的长期增强［7］。LTP 与学习和记忆密切相关，是两者活动的生理基础，也是记忆研究的极佳模型［6］。在不同的突触中，表现为不同的LTP的形式，而在同一突触中，LTP 也可以具有多样性，例如在大脑齿状回颗粒细胞和CA3 锥体神经元之间的突触前膜，LTP 是通过电压门控钙通道（voltage-gated Ca2+channels，VGCCs）和cAMP-PKA 信号传导导致的钙内流实现的［8］。LTP 在CA1 锥体神经元之间的突触中依赖于N-甲基-D-天冬氨酸受体（N-methyl-D-aspartic acid receptor，NMDAR），主要发生突触后修饰［9］。但低氧对LTP影响如何，目前暂时没有定论，其机制主要和NMDAR、缺氧诱导因子（hypoxia-inducible factors，HIFs）有关。

1.1 低氧通过NMDAR 调控突触效能的LTP ARIAS 等［10］研究发现，慢性间歇性缺氧可抑制小鼠海马体神经元中NMDA 依赖的突触可塑性，慢性间歇性低氧暴露10天后，小鼠海马切片中出现过度氧化状态，使得NMDAR减少，从而抑制LTP，其机制可能是低氧抑制了NMDAR 主要亚单位GluN1 的表达，使用还原剂后对NMDAR 的表达并没有影响，这表明慢性间歇性缺氧对LTP 的影响可能是不可逆的。人体内最常见的慢性间歇性低氧的病理生理状态就是阻塞性睡眠呼吸暂停综合征（obstructive sleep apnea syndrome，OSAS）。有研究［11］提示，OSAS患者常伴有记忆力的严重减退，且其程度与OSAS病情程度呈正相关。NAJAFIAN 等［12］采用大鼠研究缺氧诱发的癫痫发作（hypoxia-induced seizures，HS）是否改变海马CA1细胞的LTP，结果发现HS后48～72 h，CA1 细胞异恶唑丙酸受体（α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole-propionicacid receptor，AMPAR）增加，引起LTP的抑制。若使用AMPAR拮抗剂2，3-二羟基-6-硝基-7-磺胺酰-苯唑（f）喹诺（NBQX）治疗可防止HS诱导的LTP抑制。

1.2 低氧通过HIFs 调控突触效能的LTP 在缺氧时，神经元内出现许多病理生理变化，其中就包括HIFs 的变化。有学者［13］用脯氨酸-4-羟化酶区域（prolyl-4-hydroxylase domains，PHDs）抑制剂处理神经细胞后发现，大鼠海马区突触传递的损害程度降低，这表明HIFs 对神经细胞及神经突触的可塑性具有重要影响。YORK 等［14］研究发现，LPS 可诱导小鼠海马区神经元发生炎症，且LPS 增加了小胶质细胞中HIF-1α 的水平，进而使得IL-1β 和TNFα 的生成增多，IL-1β 能抑制海马的LTP，但研究发现TNFα不足以抑制LTP，因为LTP 在IL-1 受体存在时被恢复。DAI等［15］将用氯化钴（CoCl2）预处理骨髓间充质干细胞（BMSC）培养基后，用微渗透泵以1.0 μL/h的流速注射到缺氧大鼠左侧脑室7 d，发现HIF-1α及其靶基因、血管内皮生长因子（VEGF）和红细胞生成素（EPO）的水平显著增加，同时伴有神经细胞兴奋性突触后电位（excitatory postsynaptic potential，EPSP）和LTP 活动的增强，进一步免疫组化定量表明GluR2 蛋白表达增加，故推测HIF-1α 通过作用于GluR2 发挥作用。由上可见，低氧通过HIFs 可能对LTP 具有双重效应。但遗憾的是，多部分研究为动物实验，以上结论在人体中具体如何尚不明确。

2 低氧对突触效能LTD的调控机制

LTD 是在长时间的模式刺激后，持续数小时或更长时间的神经元突触效能活动依赖性降低。LTD发生于中枢神经系统的许多区域，其机制因脑区和发育进程而异。诱导典型的LTD 需要0.5～5 Hz 的重复突触刺激，如果突触后神经元被适度去极化以缓解Mg2+诱导的NMDAR 阻滞或使用特定的神经调节剂也能诱导LTD［16］。抑制NMDARs 可阻断LTD，而激活NMDARs 可诱导LTD，NMDARs 吸收Ca2+进入突触后神经元，缓冲Ca2+的升高可预防LTD［17］。有动物模型表明，通过NMDAR 进入突触后树突棘的钙是LTD的触发因素，但与LTP一样，触发LTD的突触后钙信号的定量特征仍有待确定［18］。小脑神经元的突触LTD 过程被认为是运动性学习记忆的神经电生理基础［19］，但低氧如何影响LTD 过程进而影响学习记忆目前暂不明确，其调控机制主要与α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸受体即AMPA 受体（AMPAR）、代谢性谷氨酸受体-5（metabotropic glutamate receptor-5，mGluR5）有关。

2.1 低氧通过AMPAR 调控突触效能的LTD AMPAR 是介导中枢神经系统快速兴奋性突触传递，其在突触后膜的动态表达与LTP和LTD的诱发和维持均有关，可以参与某些高级神经活动，如学习与记忆等。AMPAR 在β-淀粉样蛋白作用下的过度胞吞和裂解致其在突触后膜缺失，可致突触损伤和功能障碍，与阿尔茨海默病（alzheimer's disease，AD）早期认知障碍密切相关［20］。AMPAR 还参与谷氨酸介导的兴奋性损伤，Ca2+通透性AMPAR亚型的过度激活能导致AD 神经元的功能障碍甚至死亡［21］。缺氧时大脑中几种主要的LTD 形式包括NMDAR 依赖性LTD 和mGluR 依赖性LTD 过程减弱，由于AMPAR 被网格蛋白和胞吞作用从细胞表面局部去除，故导致AMPAR含量的减少［22-23］。

低氧可以抑制突触可塑性，并且可以导致神经元的过度兴奋和特定神经元的死亡。脑源性神经营养因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）在神经元的过表达增强了短暂缺氧发作的预处理作用。研究［24］显示，低氧培养神经细胞24 小时后，抗凋亡基因Stat3、Socs3 和Bcl-xl 的表达显著增加，编码促炎细胞因子IL-10和IL-6的基因表达也增加，使AMPAR 表达下降。反之，在BDNF 过度表达的培养基中，低氧反应后促凋亡基因（Bax，Casp-3和Fas）和促炎基因（IL-1β 和TNFα）的表达降低，可有效防止AMPAR 下调。故我们可以认为BDNF 对缺氧诱导的下调AMPAR 抑制LTD 具有保护作用，但其在慢性高原病认知损害时的临床应用目前没有循证医学依据。

此外，还有研究发现采用啮齿类动物的缺氧诱导的新生癫痫模型，使海马CA1锥体神经元AMPAR功能的持续性增加，癫痫发作时通过全细胞膜片钳记录显示AMPAR 功能开始上调，随后瞬时动态减弱48～72 小时，LTD 也可能随之先增后减。这种调控是由哺乳动物雷帕霉素（mammalian target of rapamycin，mTOR）介导的，mTOR 抑制剂的应用可预防低氧性癫痫发作后稳态的损害，提示在癫痫发生中稳态可塑性机制可能是潜在的可调节的治疗靶点。可见，低氧对LTD 的影响并不是单一的，许多研究的结论也似乎相互矛盾，需要进一步研究。

2.2 低氧通过mGluR5 调控突触效能的LTD 研究［25］显示，mGluR5参与了几种海马突触可塑性的形成，可引起海马CA1 和CA3 区较强的消除增强现象，亦可诱导海马齿状回慢性增强，在晚期突触重塑中起作用，参与LTD 过程。可溶性淀粉样蛋白-β-蛋白（Aβ）低聚物是AD 的主要标志物，通过多种病理机制，包括神经元的过度激活、微血管缺氧和神经炎症触发综合应激反应（integrated stress response，ISR），增加转录因子eIF2α 磷酸化（ISR 的核心事件），促进mGluRs依赖性LTD，从而导致AD发生［26］。有学者［27］发现，在活鼠中微血管性缺氧会导致mGluR5-LTD 途径的易化，ISR 抑制剂可消除海马的空间学习和记忆缺陷，使海马蛋白合成正常化，提示缺氧通过下调mGluR5 抑制LTD。还有研究［28］发现，在缺氧小鼠海马CA3-CA1 通路中，mGluR5 激动剂二羟苯甘氨酸（paired-pulse low frequency stimulation，PP-LFS）能促进LTD 在易感小鼠中特异性，而激活BDNF/TrkB 信号通路能减弱LTD。综上所述，低氧通过mGluR5影响LTD过程。

综上所述，低氧对LTP 或LTD 的调控并不是单一的，但根据目前的研究，低氧对两者的作用似乎更多为抑制，这也是长期生活在平原地区的人群进入高原后最初一段时间内学习记忆效率严重低下的重要原因之一。前文已叙及，BDNF对低氧诱导的LTP损伤具有一定的逆转作用，故针对于高原工作者出现学习记忆能力降低的情况，理论上可予以BDNF治疗，但并无人体试验的报导。期待今后随着科学的发展，低氧调控LTP 或LTD 的机制能够被逐步揭示，并且有针对性的药物问世，为高原人们的学习工作而服务。